Principios de generador eléctrico
Un generador electrico es una máquina eléctrica rotativa que transforma energía mecánica en energía eléctrica. Lo consigue gracias a la interacción de los dos elementos principales que lo componen: la parte móvil llamada rotor, y la parte estática que se denomina estátor. Cuando un generador eléctrico está en funcionamiento, una de las dos partes genera un flujo magnético act!a como inductor" para que el otro lo transforme en electricidad act!a como inducido". Los generadores eléctricos se diferencian seg!n el tipo de corriente que producen. #sí, #sí, nos encontramos con dos grandres grupos de máquinas eléctricas rotativas: los alternadores y las dinamos. Los alternadores generan electricidad en corriente alterna. alterna . $l elemento inductor es el rotor y el inducido el estátor. Un ejemplo son los generadores de las centrales eléctricas, eléctricas , las cuales transforman la energia mecánica en eléctrica alterna. Las dinamos generan electricidad en corriente continua. continua . $l elemento inductor es el estátor y el inducido el rotor. Un ejemplo lo encotraríamos en la lu% que tiene una &icicleta, la cual funciona a través del pedaleo. Máquinas eléctricas rotativas: los generadores
Llamamos máquinas eléctricas a los dispositivos capaces de transformar energía eléctrica en cualquier otra forma de energía. Las máquinas eléctricas se pueden dividir en: Máquinas eléctricas rotativas, que están compuestas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores y motores. Máquinas eléctricas estáticas, que no disponen de partes móviles, como los transformadores. 'amos 'a mos a fijarnos en el grupo de las máquinas rotativas, que lo constituyen los motores y los generadores. Las máquinas eléctricas rotativas son reversibles, yq que pueden tra&ajar de dos maneras diferentes: Como motor eléctrico: Convierte la energía eléctrica en mecánica. Como generador eléctrico: Convierte la energía mecánica en eléctrica. Las máquinas eléctricas se pueden dividir en rotativas y estáticas. $n este caso vamos a fijarnos en el grupo de las máquinas rotativas que lo constituyen los motores y los generadores.
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(odas las máquinas rotativas están formada por una parte fija llamada estátor, tiene forma (odas cilíndrica, y otra móvil llamada rotor. $l rotor se monta en un eje eje que descansa descansa en dos rodamientos o cojinetes. $l espacio de aire que separa el estátor del rotor, necesario para que pueda girar la máquina se denomina entrehierro. )ormalmente tanto en el estátor estátor como en el rotor e*isten e*isten devanados +ec+os con con conductores de co&re por los que circulan corrientes suministradas o cedidas a un circuito e*terior que constituye el sistema eléctrico. Uno de los devanados crea un flujo en el entre+ierro y se denomina inductor.
$l otro devanado reci&e el flujo del primero y se denomina inducido. e igual manera, se podria situar el inductor en el estátor y el inducido en el rotor o viceversa. Generador de corriente alterna: el alternador Los generadores de corriente alterna o alternadores son máquinas que transforman energía mecánica, que reci&en por el rotor, en energía eléctrica en forma de corriente alterna. La mayoría de alternadores son máquinas de corriente alterna síncrona, que son las que giran a la velocidad de sincronismo, que está relacionada con el nom&re de polos que tiene la máquina y la frecuencia de la fuer%a electromotri%. $sta relación +ace que el motor gire a la misma velocidad que le impone el estátor a través del campo magnético. $sta relación viene dada por la e*presión:
onde f es la frecuencia a la cual esta conectada la máquina y P es el numero de pares de polos. -u estructura es la siguiente: státor: arte fija e*terior de la máquina. $l estátor está formado por una carcasa metálica que sirve de soporte. $n su interior encontramos el n!cleo del inducido, con forma de corona y ranuras longitudinales, donde se alojan los conductores del enrollamiento inducido. !otor: arte móvil que gira dentro del estátor $l rotor contiene el sistema inductor y los anillos de ro%amiento, mediante los cuales se alimenta el sistema inductor. $n función de la velocidad de la máquina +ay dos formas constructivas. !otor de polos salidos o rueda polar: Utili%ado para tur&inas +idráulicas o o motores térmicos, para sistemas de &aja velocidad. !otor de polos lisos: Utili%ado para tur&inas de vapor y gas, estos grupos son o llamados tur&oalternadores. ueden girar a /000, 1200 o 1000 r.p.m. en función de los polos que tenga. $l alternador es una máquina eléctrica rotativa síncrona que necesita de una corriente de e*citación en el &o&inaje inductor para generar el campo eléctrico y funcionar. or lo tanto su diagrama de funcionamiento es el siguiente: #l ser máquinas síncronas que se conectan a la red +an de tra&ajar a una frecuencia determinada. $n el caso de $uropa y algunas %onas de Latinoamérica se tra&aja a 20 3%, mientras que en los $stados Unidos usan 40 3%. $n aplicaciones especiales como en el caso de la aeronáutica, se utili%an frecuencias más elevadas, del orden de los 500 3%.
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$l principio de funcionamiento de los alternadores es el mismo que +emos estudiado +asta a+ora, con una peque6a diferencia. ara generar el campo magnético, +ay que aportar una corriente de e"citaci#n $%e& en corriente continua. $sta corriente genera el campo magnético para conseguir la corriente inducida $%i& que será corriente alterna. Los alternadores están acoplados a una máquina motri% que les genera la energía mecánica en forma de rotación. -eg!n la máquina motri% tenemos tres tipos: •
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Máquinas de vapor: -e acopla directamente al alternador. 7eneran una velocidad de giro &aja y necesitan un volante de inercia para generar una rotación uniforme. Motores de combusti#n interna: -e acoplan directamente y las características son similares al caso anterior. 'urbinas hidráulicas: La velocidad de funcionamiento tiene un rango muy a mplio. $stos alternadores están dise6ados para funcionar &ien +asta el do&le de su velocidad de régimen. 7enerador de corriente continua: la dinamo
$l generador de corriente continua, tam&ién llamado dinamo, es una máquina eléctrica rotativa a la cual le suministramos energía mecánica y la transforma en energía eléctrica en corriente continua.
$n la actualidad se utili%an muy poco, ya que la producción y transporte de energía eléctrica es en forma de corriente alterna. Una de las características de las dinamos es que son máquinas reversi&les: se pueden utili%ar tanto como generador o como motor. $l motor es la principal aplicación industrial de la dinamo, ya que tiene facilidad a la +ora de regular su velocidad de giro en el rotor. Las principales partes de esta máquina son: $státor $l estátor es la parte fija e*terior de la dinamo. $l estátor contiene el sistema inductor destinado a producir el campo magnético. $stá formado por: •
Polos inductores: ise6ados para repartir uniformemente el campo magnético.
istinguimos en ellos el n!cleo y la e*pansión polar. $l n!mero de polos +a de ser par, en caso de máquinas grandes se +an de utili%ar polos au*iliares. •
(evanado inductor: -on las &o&inas de e*citación de los polos principales, colocadas
alrededor del n!cleo. $stán +ec+os con conductores de co&re o de aluminio recu&iertos por un &arni% aislante. •
Culata: La culata sirve para cerrar el circuito magnético y sujertar los polos. $sta
construida con material ferromagnético. !otor
$l rotor es la arte móvil que gira dentro del estátor. $l rotor al estar sometido a variación de flujo crea la fuer%a electromotri% inducida, por lo tanto contiene el sistema inducido. $stá formado por: •
)*cleo del inducido: Cilindro construido para reducir las pérdidas magnéticas. ispone de
ranuras longitudinales donde se colocan las espiras del enrollamiento del inducido. •
(evanado inducido: 8ormado por espiras que se distri&uyen uniformemente por las
ranuras del n!cleo. -e conecta al circuito e*terior de la máquina por medio del colector y las esco&illas. •
Colector: Cilindro solidario al eje de la máquina formado por segmentos de co&re o
láminas aisladas eléctricamente entre ellas. $n cada lámina se conecta una &o&ina. $s el encargado de reali%ar la conversión de corriente alterna a corriente continua. •
scobillas: -on pie%as de car&ón9grafito o metálicas, que están en contacto con el colector.
3acen la conmutación de la corriente inducida y la transportan en forma de corriente continua +acia el e*terior.
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Co+inetes: -irven de soporte y permiten el giro del eje de la máquina.
Motor eléctrico
Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que transforman la energía eléctrica en energía mecánica. e&ido a sus m!ltiples ventajas, entre las que ca&e citar su economía, limpie%a, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico +a reempla%ado en gran parte a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o el +ogar. Los motores eléctricos satisfacen una amplia gama de necesidades de servicio, desde arrancar, acelerar, mover, o frenar, +asta sostener y detener una carga. $stos motores se fa&rican en potencias que varían desde una peque6a fracción de ca&allo +asta varios miles, y con una amplia variedad de velocidades, que pueden ser fijas, ajusta&les o varia&les. Un motor eléctrico contiene un n!mero muc+o más peque6o de pie%as mecánicas que un motor de com&ustión interna o uno de una máquina de vapor, por lo que es menos propenso a los fallos. Los motores eléctricos son los más ágiles de todos en lo que respecta a variación de potencia y pueden pasar instantáneamente desde la posición de reposo a la de funcionamiento al má*imo. -u tama6o es más reducido y pueden desarrollarse sistemas para manejar las ruedas desde un !nico motor, como en los automóviles.
$l inconveniente es que las &aterías son los !nicos sistemas de al macenamiento de electricidad, y ocupan muc+o espacio. #demás, cuando se gastan, necesitan varias +oras para recargarse antes de poder funcionar otra ve%, mientras que en el caso de un motor de com&ustión interna &asta sólo con llenar el depósito de com&usti&le. $ste pro&lema se soluciona, en el ferrocarril, tendiendo un ca&le por encima de la vía, que va conectado a las plantas de generación de energía eléctrica. La locomotora o&tiene la corriente del ca&le por medio de una pie%a metálica llamada patín. #sí, los sistemas de almacenamiento de electricidad no son necesarios. 9 Cuando no es posi&le o no resulta renta&le tender la línea eléctrica, para encontrar una solución al pro&lema del almacenamiento de la energía se utili%an sistemas com&inados, que consisten en el uso de un motor de com&ustión interna o uno de máquina de vapor conectado a un generador eléctrico. $ste generador proporciona energía a los motores eléctricos situados en las ruedas. $stos sistemas, dada su facilidad de control, son ampliamente utili%ados no sólo en locomotoras, sino tam&ién en &arcos. $l uso de los motores eléctricos se +a generali%ado a todos los campos de la actividad +umana desde que sustituyeran en la mayoría de sus aplicaciones a las máquinas de vapor. $*isten motores eléctricos de las más variadas dimensiones, desde los peque6os motores fraccionarios empleados en peque6os instrumentos +asta potentes sistemas que generan miles de ca&allos de fuer%a, como los de las grandes locomotoras eléctricas $n cuanto a los tipos de motores eléctricos genéricamente se distinguen motores monofásicos, que Contienen un juego simple de &o&inas en el estator, y polifásicos, que mantienen dos, tres o más conjuntos de &o&inas dispuestas en círculo.
-eg!n la naturale%a de la corriente eléctrica transformada, los motores eléctricos se clasifican en motores de corriente continua, tam&ién denominada directa, motores de corriente alterna, que, a su ve%, se agrupan, seg!n su sistema de funcionamiento, en motores de inducción, motores sincrónicos y motores de colector. (anto unos como otros disponen de todos los elementos comunes a las máquinas rotativas electromagnéticas Motores de corriente contin*a
La conversión de energía en un motor eléctrico se de&e a la interacción entre una corriente eléctrica y un campo magnético. Un campo magnético, que se forma entre los dos polos puestos de un imán, es una región donde se ejerce una fuer%a so&re determinados metales o so&re otros campos magnético2 Un motor eléctrico aprovec+a este tipo de fuer%a para +acer girar un eje, transformándose así la energía eléctrica en movimiento mecánico. Los dos componentes &ásicos de todo motor eléctrico son el rotor y el estator. $l rotor es una pie%a giratoria, un electroimán móvil, con varios salientes laterales, que llevan cada uno a su alrededor un &o&inado por el que pasa la corriente eléctrica. $l estator, situado alrededor del rotor, es un electroimán fijo, cu&ierto con un aislante. #l igual que el rotor, dispone de una serie de salientes con &o&inados eléctricos por los que circula la corriente. Cuando se introduce una espira de +ilo de co&re en un campo magnético y se conecta a una &atería, la corriente pasa en un sentido por uno de sus lados y en sentido contrario por el lado opuesto. #sí, so&re los dos lados de la espira se ejerce una fuer%a, en uno de ellos +acia arri&a y en el otro +acia a&ajo. -í la espira de +ilo va montada so&re el eje metálico, empie%a a dar vueltas +asta alcan%ar la posición vertical. $ntonces, en esta posición, cada uno de los +ilos se encuentra situado en el medio entre los dos polos, y la espira queda retenida. ara que la espira siga girando después de alcan%ar la posición vertical, es necesario invertir el sentido de circulación de la corriente. ara conseguirlo, se e mplea un conmutador o colector, que en el motor eléctrico más simple, el motor de corriente continua, está formado por dos c+apas de metal con forma de media luna, que se sit!an sin tocarse, como las dos mitades de un anillo, y que se denominan delgas. Los dos e*tremos de la espira se conectan a las dos medias lunas. os cone*iones fijas, unidas al &astidor del motor y llamadas esco&illas, +acen contacto con cada una de las delgas del colector, de forma que, al girar la armadura, las esco&illas contactan primero con una delga y después con la otra. Cuando la corriente eléctrica pasa por el circuito, la armadura empie%a a girar y la rotación dura +asta que la espira alcan%a la posición vertical. #l girar las delgas del colector con la espira, cada media vuelta se invierte el sentido de circulación de la corriente eléctrica. $sto quiere decir que la parte de la espira que +asta ese momento reci&ía la fuer%a +acia arri&a, a+ora la reci&e +acia a&ajo, y la otra parte al contrario. e esta manera la espira reali%a otra media vuelta y el proceso se repite mientras gira la armadura. $l esquema descrito corresponde a un motor de corriente continua, el más simple dentro de los motores eléctricos, pero que re!ne los principios fundamentales de este tipo de motores. Motores de corriente alterna
Los motores de corriente alterna tienen una estructura similar, con peque6as variaciones en la fa&ricación de los &o&inados y del conmutador del rotor. -eg!n su sistema de funcionamiento, se clasifican en motores de inducción, motores sincrónicos y motores de colector. Motores de inducci#n
$l motor de inducción no necesita esco&illas ni colector. -u armadura es de placas de metal magneti%a&le. $l sentido alterno de circulación, de la corriente en las espiras del estator genera un campo magnético giratorio que arrastra las placas de metal magneti%a&le, y las +ace girar. $l motor de inducción es el motor de corriente alterna más utili%ado, de&ido a su fortale%a y sencille% de construcción, &uen rendimiento y &ajo coste así como a la ausencia de colector y al +ec+o de que sus características de funcionamiento se adaptan &ien a una marc+a a velocidad constante. Motores sincr#nicos
Los motores sincrónicos funcionan a una velocidad sincrónica fija proporcional a la frecuencia de la corriente alterna aplicada. -u construcción es semejante a la de los alternadores Cuando un motor sincrónico funciona a potencia Constante y so&ree*citado, la corriente a&sor&ida por éste presenta, respecto a la tensión aplicada un ángulo de desfase en avance que aumenta con la corriente de e*citación $sta propiedad es fa qUe +a mantenido la utili%ación del motor sincrónico en el campo industrial, pese a ser el motor de inducción más simple, más económico y de cómodo arranque, ya que con un motor sincrónic0 se puede compensar un &ajo factor de potencia en la instalación al suministrar aquél la corriente reactiva, de igual manera que un Condensador conectado a la red. Motores de colector
$l pro&lema de la regulación de la velocidad en los motores de corriente alterna y la mejora del factor de potencia +an sido resueltos de manera adecuada con los motores de corriente alterna de colector. -eg!n el n!mero de fases de las comentes alternas para los que están conce&idos los motores de colector se clasifican en monofásicos y olifásicos, siendo los primeros los más Utili%ados Los motores monofásicos de colector más Utili%ados son los motores serie y los motores de repulsión.